汉阳大学开发壁虎仿生软夹持器，利用过度固化破DLP 3D打印的界限

2025年5月4日，南极熊获悉，来自韩国汉阳大学的研究人员开发了一种新颖的DLP 3D打印方法，利用过度固化技术制造出仿壁虎的软体执行器。

新的DLP工艺以题为“Gecko-inspired soft actuatorsfor wafer handling via overcuring-induced anisotropic microstructures in DLP 3Dprinting”的论文发表于《微系统与纳米工程》（2025年4月），改进了晶圆处理性能，并有望在软体机器人和生物医学领域获得更广泛的应用。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00920-8

由 Sooheon Kim 和Hongyun So 领导的团队利用通常被视为缺陷的过度固化现象，创建了模仿壁虎脚自然粘附能力的各向异性微结构。这些结构无需复杂的光刻技术即可生成，在粘附和分离过程中表现出可控的方向性，非常适合硅片等精密表面。

△受壁虎启发的各向异性粘合剂系统及其通过DLP 3D打印的制造。图片来自Kim等人，《微系统与纳米工程》，2025年

将缺陷转化为特征

在传统的DLP 3D打印中，物体的每一层都是通过将液态光聚合物树脂暴露于图案化的紫外光下形成的，紫外光会在光线集中的地方引发化学反应，使树脂固化。然而，由于树脂的光学特性以及光在目标层之外的散射或透射，相邻区域可能会发生非预期的固化（即过度固化），这常常导致特征变形或分辨率下降。研究人员并没有将其视为需要解决的缺陷，而是策略性地接受了这一现象。通过精确调整曝光时间、光强度和层几何形状，他们控制了紫外光穿透的深度和方向，从而使结构的某些部分以非对称方式固化。

这种受控的过度固化工艺能够自发形成倾斜的各向异性微结构，从而将原本对称的CAD模型转化为主动的设计工具。最终，我们能够提供一种简化且可扩展的方法，用于生产具有高重复性的功能性微结构，无需复杂的CAD修改或二次制造工艺。

△树脂固化过程。图片来自 Kim 等人，《微系统与纳米工程》，2025 年

测试与性能：

采用受控过固化工艺制备的各向异性柱状物，通过双模铸造工艺生产基于PDMS的软质夹持器。这些夹持器在光滑表面上表现出强大的可逆粘附性，能够可靠地举起各种测试对象，包括4英寸和8英寸晶圆模拟物以及重达165克的重型玻璃盘，且仅需极小的机械输入。

有限元模拟将标准3D打印结构与过度固化设计进行了比较，结果表明，在负载条件下，最大冯·米塞斯应力降低了高达18.7%。这表明，过度固化柱状结构更光滑的表面和连续的几何形状降低了增材制造中通常在层间连接处出现的应力集中。因此，夹具的结构耐久性得到了提升，能够承受抓取和释放过程中的反复变形，且性能不会出现显著下降。

△使用各向异性结构制造软夹持器的后处理步骤。a 打印包含各向异性柱状结构的母模；b 第一次浇铸；c 第二次浇铸；d 收集预聚物液滴；e 固化的平坦垫表面；f 在施加压力下固化的倾斜垫表面。图片来自 Kim 等人，《微系统与纳米工程》，2025 年

耐久性测试进一步验证了粘合表面的坚固性。故意的灰尘污染后，粘合强度最初降至接近零，但用异丙醇简单清洁后恢复到原始值的96.78%，证明了在实际环境中的可重复使用性。此外，在9 N的预紧力下，夹持器在连续十次粘合-分离循环中保持了稳定的性能，凸显了基于过固化的各向异性设计在重复使用场景中的可靠性。

△制造的壁虎功能表面。a 两种横截面积的功能表面照片，尺寸为 24mm×24mm；b 具有平头和斜头的功能表面光学显微镜图像；c 侧视图；d 顶视图。图片来自 Kim等人，《微系统与纳米工程》，2025 年

超越机器人：功能性微结构平台

虽然目前的应用主要集中在晶圆处理上，但这种受控过度固化技术的意义远不止于软体机器人。通过在DLP打印过程中精准操控曝光，该工艺能够在单个打印步骤中制造出几何形状复杂且方向性偏置的微结构，无需光刻或后处理。这为微流体领域的全新应用打开了大门，在这些领域中，精确倾斜或收缩的通道可以被动调节流体流动，从而实现用于芯片实验室诊断或自主化学处理的智能通道设计。

在过滤系统中，利用创建梯度孔隙率结构的能力，可以开发能够选择性捕获颗粒或调节流阻的膜，这在生物医学植入物或环境监测方面可能有用。同样，可以通过局部调整过度固化的深度和方向来创建压敏阀或自调节流量组件，使结构能够机械地响应内部压力或温度变化，而无需电子控制系统。这些可能性预示着，未来，曾经被认为是印刷缺陷的过度固化现象，可能成为生物医学、可穿戴设备和微电子封装领域功能性微结构工程的基石。

仿生学与增材制造

仿生设计在增材制造设计中得到越来越多的考虑，这使得研究人员能够通过工程材料复制复杂的自然功能。早在 2021 年，浙江大学的科学家就利用 3D 打印技术重建了乌贼骨的分层微结构，从而产生了重量轻但抗冲击性强的结构，可以为下一代防护装备或航空航天部件提供参考。在另一个例子中，研究人员开发了一种方法，通过模仿蝴蝶翅膀的纳米结构来生产更安全、结构上着色的 3D 打印部件，避免使用有毒颜料。最近，哈佛大学的科学家 3D 打印了仿生血管，特征螺旋流动模式受到真实动脉的启发，为血管移植和再生医学带来了希望。在 DLP 中使用过度固化来创建模仿壁虎刚毛的各向异性粘合剂表面完全符合这个不断发展的领域，将仿生学从视觉相似推向功能模拟。